多相DC-DC轉換可以顯著提高降壓型開關穩(wěn)壓器在大電流應用中的性能。在本文中，我將解釋多相降壓轉換器的結構和功能，在以后的文章中，我將介紹優(yōu)缺點，以幫助您確定哪些設計項目可能受益于多相而不是單相穩(wěn)壓方案。

首先，讓我們簡要回顧一下DC-DC轉換基礎知識。

使用降壓轉換器的開關模式電壓調節(jié)

以下電路(圖1)表示一個基本的降壓型開關穩(wěn)壓器(也稱為降壓轉換器)：

***圖1. *該電路為異步降壓轉換器。在同步降壓拓撲中，低側晶體管取代二極管。

與線性穩(wěn)壓器不同，DC-DC轉換器可以通過利用“開關模式”(即開與關)電流的優(yōu)勢來實現(xiàn)高效率。DC-DC轉換器的晶體管不是像線性調節(jié)那樣在用作可變電阻器的晶體管上耗散功率，而是完全打開或完全關閉，從而避免在低效率中間區(qū)域工作。

開關電壓通過晶體管輸出側的電感電容電路濾波成穩(wěn)定的降低電壓。當晶體管導通時，電流通過電感流向負載。另一方面，當晶體管關閉時，電感器保持電流(回想一下，它的電流不能瞬時改變)。在這種情況下，輸出電容為所需的負載電流提供一個電荷儲存器。調節(jié)通過反饋環(huán)路完成，反饋環(huán)路通過脈沖寬度調制施加到晶體管柵極的控制信號來調節(jié)輸出電壓，從而改變導通狀態(tài)持續(xù)時間與關斷狀態(tài)持續(xù)時間的比率。

這些器件可提供高達 20 A的電流，適用于低電壓、高電流應用，例如為智能手機和平板電腦中的微處理器生成電源軌。我喜歡這張圖，因為它顯示了多相降壓轉換器的結構，但沒有傳達在實際應用中實現(xiàn)多相轉換所需的簡單概念。

在右邊，您可以看到四對場效應晶體管(FET)和四個電感器。一對FET用作半橋驅動器，控制通過一個電感器的電流，每個半橋驅動器加電感子電路是一個相位(即，單獨降壓轉換器的內核)。相位并聯(lián)工作并協(xié)同為負載提供電流(圖中的負載電流由輸出電容右側的電流源表示)。

雖然該圖顯示了四個獨立的輸出電容，但所有這些電容都并聯(lián)連接;換句話說，輸出電容在物理上是分開的，但在電上是統(tǒng)一的。輸入電容也是如此。因此，這些相位不共享電感，但它們共享輸入和輸出電容。

優(yōu)化的多相轉換是一個復雜的過程，您可以在圖表中看到DA9213包含相當多的控制電路。串行接口允許微控制器讀取和寫入與以下相關的數(shù)據：

溫度故障

電流限制

輸出電壓目標

輸出電壓狀態(tài)

電壓斜坡速率

切相和許多其他操作細節(jié)

多相轉換—相位時序

多相轉換的一個重要方面是應用于相位的交錯時序，實際上，多相轉換器也稱為交錯轉換器。交錯通過向相位晶體管施加一系列控制脈沖，以循環(huán)方式激活相位。

圖3中的以下示意圖來自Reyes-Portillo等人撰寫并發(fā)表在《世界電動汽車雜志》上的研究論文，描述了一種專為電動汽車電池充電而設計的異步多相降壓拓撲。

* 圖3. 用于電動汽車充電的同步多相降壓拓撲示例。圖片由Reyes-Portillo等人提供*

此外，作者還提供了以下四個階段的時序圖(圖4)。

***圖4. *時序圖涵蓋了圖3所示同一示例的四個階段。圖片由Reyes-Portillo等人提供

晶體管的控制信號表示為開關Q1到

Q4在原理圖中，金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)創(chuàng)建一個周期，其中各相“輪流”進入導通狀態(tài)。這就是交錯的含義。上面顯示的特定方案包括控制信號中的相位間重疊，但重疊不是必需的。

需要注意的一點是，本研究的作者指出，至少在他們的使用場景中，控制信號重疊是有利的，因為它消除了從電源汲取的輸入電流的不連續(xù)性。

相電流與輸出電流的關系

在進一步討論之前，重要的是要認識到，盡管相位按順序進入導通狀態(tài)，但它們不會“輪流”提供所有負載電流。正如當控制信號關閉晶體管時，獨立降壓穩(wěn)壓器提供的電流不會降至零一樣，交錯相位在關斷狀態(tài)下提供電流，并且這些電流的總和可供負載使用。德州儀器應用說明中的下圖(圖5)將有助于闡明這一概念。

* 圖5. 來自 TI 應用說明的示例框圖。圖片由德州儀器提供*

首先，請注意該方案中的相位控制信號如何不重疊。

一旦控制信號變低并關閉晶體管，相電流就會開始下降，但這只會導致電流紋波，而不是相電流的損失。兩個波紋電流加在一起形成一個(波紋)總和電流，因此，兩相系統(tǒng)中的每個相位僅占最大負載電流的一半。同樣，四相系統(tǒng)中的每一相負責最大負載電流的四分之一。

下圖(如圖6所示)取自TI關于多相轉換優(yōu)勢的不同應用筆記，更清楚地顯示了相電流的細節(jié)及其與輸出電流的關系。

* 圖6. 顯示相電流及其與輸出電流關系的示例。圖片由德州儀器提供*

兩相的電感電流約為5 A，峰峰值紋波約為2 A，輸送到穩(wěn)壓器輸出電容的總電流是兩個5 A相電流之和。在后續(xù)文章中，我們將看到這種使用多個交錯穩(wěn)壓器子電路提供更大總電源電流的技術是多相DC-DC轉換優(yōu)勢的關鍵。

總的來說，我希望本文能讓您了解一種電源技術，這種技術在某些應用中非常有利，也許并不像它應該的那樣廣為人知。如果您有機會將多相DC-DC轉換集成到您的任何設計中，請隨時發(fā)表評論并分享您的經驗。